汗水处理过程溶解氧浓度的滑模控制研究.pdf
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1、摘要 摘要 本论文基于城市生活污水问题,开展活性污泥法溶解氧浓度的滑模控制研究。 论文依据活性污泥一号模型( A S M I ) 、细胞动力学方程、曝气机理、物料平衡并结 合实际污水处理系统的特性,建立并化简了适用于控制系统的数学模型。 针对控制系统和生产过程高可靠性和安全性的要求,论文研究了污水处理过程 时滞系统的故障估计问题,设计了自适应观测器,并利用L y a p u n o v 稳定性理论证明 了系统的状态及故障估计误差均一致有界,最后应用L M I 工具箱及M a t l a b 软件对其 仿真,进而验证其可行性与有效性。由于曝气池内溶解氧的浓度是整个污水处理过 程的一个重要指标,它
2、能够快速地反映出整个控制系统的污水处理情况,而且它的 大小还将影响到原水中有机物的去除程度、运行的成本以及最后出水的水质状况, 所以设计合理的控制器对于溶解氧浓度的控制是非常重要的。基于滑模控制具有对 外界干扰及参数不确定的鲁棒性好、控制算法比较简单、容易在线实现等优点,论 文通过设计滑模控制器实现了对曝气池内溶解氧浓度的控制,并利用L y a p u n o v 稳定 性理论及L M I 理论证明了滑模控制器的稳定性,最后通过M A T L A B 仿真验证了滑 模控制器的有效性。 论文针对活性污泥法溶解氧浓度控制系统介绍了控制系统的硬件构成与软件设 计,核心是P I D 控制算法以及滑模控
3、制算法的实现,通过D D E 技术实现了M a t l a b 与组态王的数据交换,最终在活性污泥法溶解氧浓度控制系统中验证了控制方法的 有效性。 关键词污水处理;建模;故障估计;滑模控制;动态数据交换 河北科技大学硕士学位论文 A b s t r a c t B a s e do nt h ep r o b l e mo fu r b a ns e w a g e ,t h es l i d i n gm o d ec o n t r o lo fd i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o ni sc a r r i e do u
4、 ti nt h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s A c c o r d i n gt ot h eA c t i v a t e d S l u d g eM o d e l1 ( A S M1 ) ,t h ec e l ld y n a m i c se q u a t i o n ,a e r a t i o nm e c h a n i s m ,m a t e r i a l b a l a n c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a ls e w a g e
5、t r e a t m e n ts y s t e m ,t h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h a ti ss u i t a b l ef o rc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e da n d s i m p l i f i e d B a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fh i g hr e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yf o rt h ec o n t r o ls y s t e m s
6、a n d p r o d u c t i o np r o c e s s e s ,i ts t u d i e st h ef a u l te s t i m a t i o no ft h ed e l a ys y s t e m sf o rs e w a g e t r e a t m e n tp r o c e s s ,a n dd e s i g n st h ea d a p t i v eo b s e r v e r , a n dp r o v e sc o n s i s t e n tb o u n d e do ft h e s t a t ea n df
7、 a u l te s t i m a t i o ne T r o rf o rt h es y s t e mb yu s i n gL y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r y , a n d v e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s sb ys i m u l a t i o nw i t ht h eL M It o o l b o xa n dM a t l a b s o f t w a r e B e c a u s et h ed i s
8、 s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o no fa e r a t i o nt a n k si sa l li m p o r t a n t i n d e xo ft h ee n t i r es e w a g et r e a t m e n tp r o c e s s ,i tC a l lq u i c k l yr e f l e c tt h es e w a g et r e a t m e n t s i t u a t i o no ft h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e
9、 m ,a n di t Sq u a n t i t ya l s oa f f e c t st h ed e g r e eo fr e m o v a l a b o u to r g a n i cc o m p o u n d si nw a t e r , t h ec o s t so fo p e r a t i o na n dt h eq u a l i t yo ff i n a le f f l u e n t w a t e r , S Oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g nt h er a t i o n a l
10、c o n t r o l l e rf o rt h ec o n t r o lo fd i s s o l v e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o n D u et ot h ea d v a n t a g e so fs l i d i n gm o d ec o n t r o l ,w h i c ha r et h eg o o d r o b u s t n e s sa b o u to u t s i d ei n t e r f e r e n c ea n du n c e r t a i n t yp a r a m e t
11、 e r , t h er e l a t i v e l ys i m p l e c o n t r o la l g o r i t h ma n dt h ee a s yo n l i n ei m p l e m e n t a t i o n ,i ta c h i e v e st h ec o n t r o lo fd i s s o l v e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o nb yd e s i g n i n gs l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r , a n dp r o v e
12、st h es t a b i l i t yo f s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rb yL y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r ya n dl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t i e st h e o r y a n dv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so fs l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rb yM A T L A Bs i m u l a t i o n
13、I ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ea c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s sd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ,t h ec o r ei st h ei m p l e m e n t a t i o no f P I Dc o n t r o la l g o r i
14、t h ma n dS l i d i n g - m o d ec o n t r o la l g o r i t h m T h r o u g hD D E t e c h n o l o g y , i t r e a l i z e st h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nM a t l a ba n dK i n g v i e w , a n dv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so f c o n t r o lm e t h o d si na c t i v a t e ds
15、l u d g ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o nc o n t r o l s y s t e m K e yw o r d s W a s t e w a t e rt r e a t m e n t ;M o d e l i n g ;F a u l te s t i m a t i o n ;S l i d i n gm o d ec o n t r o l : D y n a m i cd a t ae x c h a n g e H 目录 目录 摘要I A b s t r a c t 一I I 第1 章绪论l
16、 1 1论文的研究背景及选题意义“1 1 1 1 研究背景l 1 1 2 选题意义l 1 2国内外研究现状2 1 2 1国内外城市污水工艺现状分析2 1 2 2 污水处理过程控制方法研究现状3 1 3 活性污泥法控制策略研究现状5 1 4 研究内容“6 第2 章污水处理过程活性污泥法的建模8 2 1活性污泥法综述8 2 1 1 活性污泥法的主要流程8 2 1 2 活性污泥法的净化过程9 2 1 3影响活性污泥的环境因素一lO 2 2 活性污泥法数学模型的发展l O 2 2 1静态模型11 2 2 2 动态模型ll 2 2 3I W A 模型l2 2 2 4 其他模型l3 2 3 适用于控制的活
17、性污泥法数学模型的建立1 3 2 3 1 预备知识“1 4 2 3 2 建模1 6 2 4 本章小结一1 7 第3 章污水处理过程时滞系统的故障估计及滑模控制”1 9 3 1 污水处理过程时滞系统的故障估计1 9 3 1 1引言”j 1 9 3 1 2 系统描述l9 3 1 3 主要研究结果2 0 3 1 4 算例仿真2 4 I I l 河北科技大学硕士学位论文 3 2 污水处理过程时滞系统的滑模控制2 7 3 2 1引言2 7 3 2 2 系统描述2 8 3 2 3 主要研究结果一2 8 3 2 4 算例仿真3 2 3 3 本章小结3 3 第4 章活性污泥法溶解氧浓度控制系统3 4 4 1曝
18、气池溶解氧浓度控制系统综述3 4 4 2 曝气池控制实验系统的运行与实现3 5 4 2 1控制系统的硬件构成3 5 4 2 2 控制系统的软件设计3 7 4 2 3 系统的网络通讯实现4 l 4 3 控制算法的实现4 l 4 3 1P I D 算法实现4 l 4 3 2 滑模变结构算法实现4 7 4 4 本章小结5l 结论5 2 参考文献5 4 攻读硕士学位期间所发表的论文5 7 致访f 5 8 I V 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景及选题意义 1 1 1 研究背景 当今社会影响可持续发展的主要问题就是环境问题、人口问题以及资源问题, 但是这些问题毫无疑问都不可能离开水资源。就我国具体国
19、情而言,不但水资源匮 乏,同时由于城市以及工业的高速发展,由此带来的水污染问题也越来越严重。目 前全社会的注意力都集中在公共环境安全上,主要体现为加强水环境污染的防治, 以保障水资源的质量。 由于适合人类生存的环境越来越恶劣,自然资源也在不断的缩减,这些因素都 严重的制约着人类倡导的可持续发展战略。人类的生存离不开水资源, 它是自然资 源中人类使用极为普及且分布最为广阔的资源之一,可是因为一味的追求高速发展, 导致目前水环境的状况岌岌可危【I J 。 毋容置疑,水资源在维持人类正常生活及确保社会经济的快速发展方面具有非 常重大的意义,它是构成全世界生产生活以及社会进步的重要因素,全社会的各个
20、领域都离不开水资源。但是由于社会的不断进步、工农业的大力发展,使得水环境 的污染程度以及破坏状况愈发恶劣,以至于严重威胁着人类的生存发展,故对水污 染的治理不得不被提上日型2 1 。 在人类社会水污染严重的大背景下,就我国城市生活污水而言,伴随着城市的 高效快速发展,城市生活污水问题愈发严重,目前解决此问题的核心就是加强污水 处理技术与力度。长此以往,由于城镇基础设施的发展远远落后于环境、人口、资 源的发展速度,使得基础设施远超其自身的承载能力。就目前而言,我国大部分的 城市在生活污水处理方面与实际的需求相差甚远【3 1 。 1 1 2 选题意义 在我国水环境污染主要涉及到两个方面的因素,-
21、N 是由于工业发展进而带来 的未达标排放的废水,再者是来自于城市的生活污水,由于排放之前没有处理或者 处理设施不足,使得对生活污水的处理能力下降,进而出现水环境污染日益加剧的 现象。对于工业废水来说,基于治理的加强使得其排放量逐步减小,然而生活污水 方面却恰恰相反,成为污染水资源的主要因素,占总比例的5 1 以上。由此可见, 目前水环境污染的主要原因在于城市生活污水带来的污染。所以城市生活污水的治 理程度与水环境的保护和合理利用息息相关,加强城市生活污水的治理是我国改善 并保护水资源、促进社会持续稳定发展的重要举措1 4 1 。 l 河北科技大学硕士学位论文 本课题针对城市污水处理系统,开展基
22、于活性污泥法的溶解氧浓度的滑模控制 研究。对于城市污水的处理,一般使用的方法包括生物的方法、物理的方法以及化 学的方法,从处理深度方面考虑可分成三个等级的处理。针对兰级污水处理来说, 一般采用的方法包括以下几种:活性污泥技术方法、氧化方法、生物膜方法以及生 物活性碳的方法,通过比较,各方法存在的缺陷如下所述。到目前为止,氧化方法 的工艺处理仅仅适用于小范围的实验室,对于将其应用于大范围的城市废水处理有 待于更深入的试验研究。而生物膜方法的不足之处表现为:第一、缺乏设计的经验 以及运行调试的可行方法;第二、在处理过程中使用的膜组件使用时间短,成本高; 第三、关于膜的清洗与效果以及自动化程度还需要
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- 关 键 词:
- 汗水 处理 过程 溶解氧 浓度 控制 研究
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